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隨著柔性直流輸配電技術(shù)的發(fā)展，高壓直流（High Voltage Direct Current, HVDC）電網(wǎng)成為未來智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，直流斷路器作為現(xiàn)代直流電網(wǎng)控制和保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，其快速性是保障成功開斷的關(guān)鍵，因此研制具有快速響應(yīng)和迅速動作的新型操動機(jī)構(gòu)是當(dāng)前的重點。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者推出了一種快速、高效、可控的推力機(jī)構(gòu)，成為新的研究熱點。但是由于這一機(jī)構(gòu)脈沖電磁力行程較短，限制了它在高壓斷路器長行程操動中的應(yīng)用，這一操動機(jī)構(gòu)還僅僅應(yīng)用在中壓和低壓斷路器中。

快速斥力機(jī)構(gòu)分為線盤式、雙線圈式和螺線管式，目前主要研究的是基于渦流效應(yīng)原理的線盤式和雙線圈式機(jī)構(gòu)，然而由于結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理導(dǎo)致其脈沖行程較短，在長行程中驅(qū)動存在速度慢、效率低的問題，螺線管式機(jī)構(gòu)由于響應(yīng)時間慢，應(yīng)用研究較少，為此鄭州大學(xué)等單位的研究人員將兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互組合，綜合兩者優(yōu)點，提出一種適合長行程驅(qū)動的新型混合式斥力機(jī)構(gòu)。

為解決高壓斷路器長行程驅(qū)動速度慢的問題，研究人員首先對比分析線盤式和螺線管式機(jī)構(gòu)的原理和特點，綜合兩者優(yōu)點提出適合長行程的串聯(lián)混合式斥力機(jī)構(gòu)（Series Hybrid Repulsion Mechanism, SHRM）的設(shè)計思想。

研究人員基于有限元分析方法建立其仿真模型，對比分析串聯(lián)混合式、線盤式以及螺線管式機(jī)構(gòu)的運動特性，研究了串聯(lián)混合式機(jī)構(gòu)瞬態(tài)磁場分布以及機(jī)構(gòu)間的影響規(guī)律，得到各機(jī)構(gòu)的特性以及混合式機(jī)構(gòu)的可行性。

然后考慮到機(jī)構(gòu)是組合結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊湊化設(shè)計，提出新型混合式斥力機(jī)構(gòu)（New Hybrid Repulsion Mechanism, NHRM）并建立其仿真模型和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行運動特性仿真對比分析。最后，研究人員得出結(jié)論如下：

圖1 混合式斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖2 仿真模型

圖3 新型混合式斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1）提出一種適合高壓斷路器長行程操動的新型混合式斥力機(jī)構(gòu)，初步從理論分析與仿真分析驗證了機(jī)構(gòu)的可行性。該機(jī)構(gòu)綜合了線盤式機(jī)構(gòu)的快速性和螺線管機(jī)構(gòu)持續(xù)性的優(yōu)點，前期主要由線盤式機(jī)構(gòu)提供斥力，后期由螺線管機(jī)構(gòu)提供斥力，具有響應(yīng)速度快、作用力時間久及適合長行程快速驅(qū)動等特點。

2）新型混合式斥力機(jī)構(gòu)相對于串聯(lián)混合式斥力機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，更加節(jié)省空間，運動質(zhì)量更輕。新型混合斥力機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，電磁斥力峰值提升5.9%，最大分閘速度提升6.0%，滿行程運動時間縮短了5.0%，主要原因是螺線管線圈在銅盤中感應(yīng)出渦流，銅盤中感應(yīng)的磁場與線圈盤中感應(yīng)出的磁場相互疊加。

3）新型混合式斥力機(jī)構(gòu)在電容電壓1000V，容量5000mF的條件下，響應(yīng)時間0.5ms，能在5.6ms內(nèi)運動60mm的行程開距。后續(xù)將結(jié)合電、磁、力聯(lián)合仿真，進(jìn)一步研究得到新型混合式斥力機(jī)構(gòu)中螺線管和線圈式機(jī)構(gòu)的協(xié)同配合規(guī)則，提出新型混合式斥力機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計原則和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的具體實現(xiàn)方法，并根據(jù)最佳參數(shù)，設(shè)計新型混合式斥力機(jī)構(gòu)樣機(jī)并進(jìn)行樣機(jī)試驗，驗證其性能。

以上研究成果發(fā)表在2020年第14期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于螺線管和線圈盤的新型混合式斥力機(jī)構(gòu)分析”，作者為程顯、趙海洋、葛國偉、王華清、申森林。